评定水敏纸。第3部分

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关于Jason Deveau(Spray_Guy)

Jason Deveau博士(@spray_guy)自2008年起一直担任OMAFRA应用技术专家。他研究并教授提高农业投入在特种作物、大田作物和受控环境中的安全、有效和高效应用的方法。他是Sprayer101的联合管理者,也是Airblast101教科书的合著者,一个慢自行车手和一个慢跑步者。雷竞技app震中杯赞助商雷竞技苹果app下载官方版

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这是我们的三部分文章的最后一部分,讨论了数字化和处理水敏感纸张的方法。你可以读第一部分在这里第二部分在这里

形态学运算

我们现在可以继续研究更大的形状,或者说二值图像中物体的“形态”。我们的目标是通过解释这些形状来量化矿床。同样,这些操作是强大的处理工具,但我们必须承认三个压倒一切的限制:

1.不一致污渍

有时,沉积物不会产生一致的蓝色——它们会变得更浅,或者在污渍周围呈现出绿黄色。在阈值化过程中,外边缘可能会被意外侵蚀,留下锯齿状边缘的对象。这可能会导致我们低估实际覆盖面积的百分比。对于微小污渍,它可能会完全消除它们,并导致我们低估沉积物密度。

2.重叠

很难确定一个物体是来自单个液滴的污点,还是多个重叠沉积物的结果。当WSP表面超过约20%的总覆盖率时,这一点变得非常重要。由此产生的物体可能有也可能没有空心中心,其中液滴不会完全重叠。错误识别重叠导致我们错误地得出结论,一个物体是单个较粗液滴而不是多个较细液滴的结果。

3.椭圆

当液滴沿着表面磨损时,就形成了非圆形污渍。两滴相同体积的液滴以不同角度接触纸张会产生区域明显不同的污渍。我们可能会错误地得出这样的结论:形成它们的液滴比实际情况更粗糙。一种方法是通过测量X轴和Y轴上最宽的跨度并取平均值来使用Feret直径(又名卡尺直径)。另一种方法是将椭圆解释为一系列圆形斑点。或者,我们可以决定在计算覆盖面积百分比时只承认这些物体,但在计算沉积密度或预测原始液滴大小时忽略它们。每种策略都是一种妥协,因此在报告结果时保持一致和透明是很重要的。

分析水敏纸时的三个常见问题。

我们将探讨两种形态学操作,它们可以帮助我们区分事实和虚构:粒度测量和膨胀侵蚀。我们将这些操作作为处理和检测步骤的一部分引入,但在我们的三步流程中,它们也可能与测量步骤重叠。

粒度测定

通过对图像进行过滤或“筛选”,我们可以估计物体大小的范围,并了解它们是如何分布在纸张上的。想象一下,把沙子和石头的混合物倒进一系列越来越细的筛子里。这样做允许您根据大小排除来分离粒子。粒度测量功能将每个物体与一系列直径逐渐减小的标准化物体进行比较。这将隔离大小相似的对象并将其存储在该大小范围内。这是一项强大的操作,但当污渍重叠形成更大的物体时,准确性就丧失了。在这种情况下,我们继续讨论膨胀和侵蚀。

扩张和侵蚀

将膨胀视为向对象的边界添加像素。这会使微小的对象变大,填充任何内部孔,并可能导致对象合并。使对象彼此接触所需的像素范围的膨胀数可以用作沉积物密度的度量。

侵蚀从对象的外部(有时是内部)边界移除像素。这就消除了可能并不代表污点的微小瑕疵。它还可以将非圆形对象拆分为多个部分,然后再将其收缩为多个核(也称为质心)。最后剩下的这些点不一定是染色的中心,而是离原始边界最远的像素。

当一个非圆形物体有一个以上的核时,它们可能代表单个液滴,这些液滴结合在一起形成更大的斑点。然后我们可以用这些原子核来测量沉积密度,例如在Voronoi划分它将每个原子核与两个最近的邻居形成三角形。

许多图像处理器依次使用这两种操作。当图像被侵蚀然后放大(这个过程叫做“打开”),较小的物体被移除,剩余物体的区域和形状相对完整。膨胀然后侵蚀(一个叫做“闭合”的过程)填满小洞,合并更小的物体,再次保持剩余物体的区域和形状相对完整。我们可以使用这两个函数来帮助平滑测量前的图像。

(上图)开放操作侵蚀然后扩大形象。从左向右移动时,较小的物体往往会消失。(下图)关闭手术会放大并侵蚀图像。从左到右移动,较小的物体要么消失,要么合并,空洞被填满

距离变换

距离变换是高级操作,专门用于分离密集排列的对象。虽然在分析WSP时通常不使用距离变换,但距离变换是识别对象核的另一种方法。它们是另一种区分可能是重叠沉积物导致的物体的方法,然后绘制它们的相对大小和位置。

测量

矿床覆盖面积的计算非常简单。将属于对象(沉积物)和属于背景的像素相加,然后将分数转换为覆盖面积百分比。研究表明,图像分辨率不会显著影响覆盖率评估,并表明所有图像分析软件都倾向于产生类似的结果(当对多篇论文应用相同阈值时,观察到+/-3.5%)。这是可以接受的,因为它在喷涂固有的可变性范围内。

我们运行了一个类似的实验,其中我们使用四种方法分析了相同的WSP片段。以下是关于我们使用的软件的一些事实:

  • 滴管生成2100到2300 DPI之间的图像。目前,它忽略椭圆,并且不计算小于~35µm(3像素)的任何内容。
  • 我们设定ImageJ在2400dpi时,直径为30µm的物体。
  • 我们不知道快照卡的处理方法,但软件使用ImageJ进行基准测试。开发人员注意到,如果图像失焦,它将低估覆盖面积的百分比。

下图所示的图像是从每种方法生成的截图中截取的。实际分析的ROI约为3cm2.对于SnapCard,3.68厘米2.适用于DropScope和2.0厘米2.对于Epson/ImageJ两种方法。我们的结果表明,面积覆盖率的差异为+/-4%。这种可变性反映了2016年《华尔街日报》一篇文章的结果,该文章将SnapCard与ImageJ和其他领先的分析软件进行了比较。该研究表明,检测到的覆盖率在统计学上没有显著差异(标准偏差约为20%)。然而,ImageJ的结果倾向于比SnapCard高出几个百分点。我们也看到了这一点。所以,虽然分辨率可能不会对覆盖面积的百分比产生显著影响,但似乎存在一定的相关性。

三个图像分析系统报告的面积百分比。当使用Epson/ImageJ方法将分辨率加倍时,仅观察到微小差异。

分辨率肯定会影响存款数量。尤其是在使用更细液滴的应用中。考虑检测或缺失1000×30μm直径物体之间的差异。它可能仅相当于覆盖表面百分比的一小部分,但在2 cm范围内为+/-1000个对象2.就沉积密度而言,面积是重要的。

输出

一旦一个WSP图像(或一组图像)被扫描、预处理、处理和测量,我们将接收某种方式的输出。有些软件包可以创建带有图像、图表和关键值的有吸引力的报告。这些报告包括百分比覆盖率和许多提供液滴密度。沉积物可以根据大小进行分类,或者使用扩散系数来计算原始液滴直径,甚至根据面积估计应用的体积。其他软件包提供原始数据,可以导入统计程序或Excel等电子表格程序进行进一步分析。有些软件包同时提供了这两种功能。

我们能走多远?

逐层数据分析超出了本文的范围,但我们应该对使用WSP获得的覆盖率数据给予多少权重?答案取决于所讨论的指标,但在所有情况下,我们必须首先承认三个最重要的警告。正如所说,它们适用于以下所有内容:

  1. 不同的品牌WSP(甚至不同的生产运行)可以产生显著不同的覆盖度量。进行实验时,使用单一品牌的WSP。更好的是,尽可能使用同一生产批次的纸张。
  2. 根据分析软件和协议的不同,同一块喷涂的WSP可以产生明显不同的结果。在进行实验时,使用相同的软件和评估协议,并在交流结果时对过程保持透明。
  3. WSP覆盖率可能无法反映实际植物组织表面的覆盖率。它适合作为一个相对指数(即,纸张可以与纸张进行比较,但不能与组织进行比较),但扩散系数随表面润湿性和喷涂液体的表面张力而变化。注意以下使用有机硅超级撒布器的实验中覆盖面积百分比的差异:
使用有机硅超级撒布剂和UV染料在水敏纸和树叶表面上的沉积分布差异。在每种情况下使用相同的体积,虽然WSP的面积增加了两倍,但在实际叶片上增加了约10倍。图像复制自Robyn Gaskin的作品,植物保护产品,新西兰。

回想一下,我们在本文档开始时列出了使用WSP通常需要的四条信息。它们是按可靠性顺序列出的,现在我们可以解释原因了。

  • 覆盖的表面积百分比:我们已经确定这是最可靠的数据。水滴不会像在植物表面那样在WSP上扩散,所以它会低估实际覆盖范围。不同的分析方法得出的结果各不相同,但它可能不依赖于分辨率,仍然在喷雾固有的可变性范围内。这个指标为我们提供了有价值和可操作的信息。我们可以判断我们是否击中了目标,并评估更换喷雾器是否导致沉积增加或减少。
  • 靶区沉积物密度:我们已经确定,该指标的可靠性是有限的。它受所使用的分析方法的影响,当分辨率低或矿床大量重叠时,它可能被大大低估。此外,它永远不会可靠地反映30µm以下的沉积物。然而,在受控条件下,这些信息确实有价值,并对有关漂流和接触杀真菌剂的查询非常感兴趣。
  • 留下污渍的液滴大小:除非在受控条件下,否则该指标非常可疑。关于表面张力、液滴速度和液滴蒸发的许多假设使得不可能对喷雾质量做出明确的陈述。在这个方程式中,更细的液滴被大大低估了。因此,虽然将WSP用作相对指数可能有一定价值,但这一指标充其量只是一个粗略的指标。
  • 应用于靶表面的剂量:到目前为止,我们还没有讨论过这个指标,但它很快就被忽略了。让我们假设一个含有高浓度活性成分的液滴会留下与另一个浓度较低的液滴相同的斑点。这将导致一些人提出,只要已知原始浓度,我们就可以反向计算剂量(即给定区域的活性量)。然而,一个液滴的体积相当于八个液滴直径的一半。这种立方关系意味着,如果它们全部沉积,较大的液滴将大约占8个较小液滴表面积的1/2。因此,较小的液滴在更大的区域内散布同样数量的活性。传播因素使这一点有点模糊,但最终意味着不能从覆盖的区域估计剂量。使用允许残留物被清除的收集器,如培养皿、聚酯薄膜片、管道清洁剂、阿尔法纤维素卡或玻片,可以更好地评估剂量。

因此,只要承认其局限性,本文描述的图像分析过程在与水敏纸一起使用时是强大而有效的。同样的工艺也可用于染料和特殊的捕收剂,如Kromekote允许更大的分辨率。但那是另一个故事。

参考文献(进一步阅读)

班克黑德,第2014页。用ImageJ分析荧光显微镜图像

库尼亚,j.p.a.r.,法尔内塞,a.c., Olivet, J.J. 2013。用于分析水滴喷在水敏感纸上的计算机程序。足底Daninha Vicosa-MG。31(3): 715 - 720。

Ferguson, j.c., Chechetto, r.g., O 'Donnell, c.c., Fritz, b.k., Hoffmann, w.c., Coleman, c.e., Chauhan, b.s., Adkins, S.W. Kruger, g.r., Hewitt, A.J. 2016。评估一种新型智能手机应用——SnapCard,对比5个成像系统来量化人工收集器上的液滴沉积。农业计算机与电子学。128:193-198。

莱德布尔,M.2016年。小水滴喷雾器

Marçal,A.R.S.,库尼亚,M.2008年。用于自动评估喷雾目标的人工目标图像处理。反式。关于阿萨贝。51(3): 811-821.

摩尔,A.,兰根肯斯,J., Vereecke, E., Jaeken, P., Lootens, P., Vandecasteele, P. 2000。水敏纸的图像分析作为评价果园喷雾器喷雾分布的工具。应用生物学的各个方面

Panneton, b . 2002。喷雾覆盖实验用水敏感卡的图像分析。应用中。农业18(2):179‐182。

Salyani,M.,Zhu,H.,Sweeb,R.D.,Pai,N.2013。使用水敏纸评估喷雾分布。阿格里克。国际工程:CIGR杂志。15(2): 101-111.

SnapCard网站.西澳大利亚大学和西澳大利亚第一产业和区域发展部。

先正达。2002用于监测喷雾分布的水敏纸。CH-4002。瑞士巴塞尔:先正达作物保护。

特纳,c.r.,亨廷顿,K.A., 1970年。对水敏感的染料用于检测和评估小喷雾滴。j·阿格利司。Eng。研究》15:385 - 387。